化工原理 第三章 过滤

2020/1/19第四节过滤一、过滤操作的基本概念二、过滤基本方程式三、恒压过滤四、过滤常数的测定五、过滤设备六、滤饼的洗涤七、过滤机的生产能力第三章沉降与过滤2020/1/19一、过滤的基本概念1、什么是过滤固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过过滤介质滤饼滤浆滤液过滤操作示意图.swf2020/1/192、过滤的概念过滤——在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而悬浮液中的固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的单元操作。②驱使液体通过过滤介质的推动力可以有重力、压力（或压差）和离心力，工业过程中经常采用的是压力；③过滤操作的目的可能是为了获得清净的液体产品，也可能是为了得到固体产品；④洗涤的作用：回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼中的可溶性盐。①其中多孔介质称为过滤介质；所处理的悬浮液称为滤浆；滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为称为滤饼或滤渣；通过过滤介质后的液体称为滤液；几点说明：2020/1/193、过滤的分类（1）按粒子的尺度——过滤与超滤过滤：宏观尺度，过滤悬浮液；超滤：微观尺度，用超滤膜将大小不同的分子分开。（2）按操作过程中的推动力加压过滤；减压过滤；常压过滤；离心过滤。2020/1/19（3）按截留颗粒的方式①深层过滤适合对象——固体颗粒粒径较小、含量极少（固相体积分率在0.1%以下）的悬浮液。（如自来水厂的处理过程）过滤原理——悬浮液中的颗粒尺寸比介质孔道的尺寸小得多，颗粒容易进入介质孔道。但由于孔道弯曲细长，颗粒随流体在曲折孔道中流过时，在表面力和静电力的作用下附着在孔道壁上。过滤特征——过滤时并不在介质上形成滤饼，固体颗粒沉积于过滤介质的内部。深层过滤.swf深层过滤2.swf2020/1/19②滤饼过滤适合对象——固体颗粒的尺寸大多都比介质的孔道大，固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。过滤原理——过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧，在过滤操作的开始阶段，会有部分小颗粒进入介质孔道内，并可能穿过孔道而不被截留，使滤液仍然是混浊的。随着过程的进行，发生“架桥现象”，颗粒在介质上逐步堆积，形成了一个颗粒层，称为滤饼。过滤特征——在滤饼形成之后，它便成为对其后的颗粒起主要截留作用的介质。因此，不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，穿过滤饼的液体则变为澄清的液体。工业过程中一般为滤饼过滤。滤饼过滤.swf滤饼过滤2.swf2020/1/19架桥现象架桥现象.swf2020/1/19过滤介质应具有下列条件：（1）多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒；（2）物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀；（3）足够的机械强度，使用寿命长；（4）价格便宜。4、过滤介质——滤饼的支承物工业常用的过滤介质主要有：（1）织物介质：又称滤布，包括有棉、毛、丝等天然纤维，玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网能截留的粒径的范围较宽，从几十μm到1μm。2020/1/19（4）多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十μm到200μm），孔很小，可以分离小到0.05μm的颗粒,应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。（2）多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属．塑料细粉粘成的多孔塑料，棉花饼等。这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留1～3μm的颗粒。（3）堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。2020/1/192020/1/195、助滤剂滤饼不可压缩滤饼：颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形；可压缩滤饼：颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。（1）滤饼的种类助滤剂一般用于可压缩滤饼。2020/1/19对于可压缩滤饼，过滤阻力在过滤压力提高时明显增大，过滤压力越大，这种情况会越严重。另外，悬浮液中所含的颗粒都很细，刚开始过滤时这些细粒进入介质的孔道中会将孔道堵死，即使未严重到这种程度，这些很细颗粒所形成的滤饼对液体的透过性也很差，即阻力大，使过滤困难。为解决上述两个问题，工业过滤时常采用助滤剂。（2）助滤剂的作用加入助滤剂后，可以改变滤饼的结构，增加滤饼的刚性，使形成的滤饼不仅结构疏松，而且几乎是不可压缩的滤饼。2020/1/19（4）助滤剂的加入方法加入方法预涂将助滤剂混在滤浆中一起过滤。用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。（3）常用的助滤剂——坚硬且形状不规则的小固体颗粒①硅藻土；②珍珠岩；③石棉；④炭粉、纸浆粉等。2020/1/196、悬浮液量、固体量、滤液量及滤渣量之间的关系质量密度固体1ρp湿滤渣Cρc湿滤渣含液量C－1ρC——湿滤渣与其中所含干渣的质量比。（kg湿渣/kg干渣）2020/1/19（1）湿滤渣密度ρc的计算由：湿滤渣体积＝干滤渣体积＋滤液体积以1kg干渣为基准，故：11CCPc（2）干渣质量与滤液体积的比值w/)1(CXXw由过滤所得到的滤液体积量确定干渣质量。设：X——悬浮液中固体颗粒的质量分数，kg固体/kg悬浮液。以1kg悬浮液为基准，故：2020/1/19（3）湿滤渣质量与滤液体积的比值（wC）（4）湿滤渣体积与滤液体积的比值（v））滤液体积（湿滤渣体积＝湿滤渣密度滤液体积湿滤渣333//mmwCmkgvc由过滤所得到的滤液体积量确定湿滤渣的体积。由过滤所得到的滤液体积量确定湿滤渣质量。33mkgkgkgmkgwC滤液体积湿滤渣＝干渣湿滤渣滤液体积干渣2020/1/19二、过滤基本方程式1、过滤速率与过滤速度的定义过滤速率——单位时间内所得到的滤液体积量，m3/s。表达式为：ddV过滤速度——单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，表达式为：AddVu式中：u——瞬时过滤速度，m3/s·m2，m/s；V——滤液体积，m3；A——过滤面积，m2；τ——过滤时间，s。u2020/1/19两点说明：①随着过滤过程的进行，滤饼逐渐加厚。可以想见，如果过滤压力不变，即恒压过滤时，过滤速度将逐渐减小。因此上述定义为瞬时过滤速度。（恒压变速过程）②过滤过程中，若要维持过滤速度不变，即维持恒速过滤，则必须逐渐增加过滤压力或压差。（恒速变压过程）因此，过滤是一个不稳定的过程。即不存在既恒压又恒速的过程。2020/1/192、过滤速度的表达其中：Δpc——滤液通过滤饼层时的压力降，也是通过该层的推动力；Δpm——滤液通过介质层时的压力降，也是通过该层的推动力。pcmppp1p2p（1）过程的推动力过滤过程中，需要在滤浆一侧和滤液透过一侧维持一定的压差，过滤过程才能进行。从流体力学的角度讲，这一压差用于克服滤液通过滤饼层和过滤介质层的微小孔道时的阻力，称为过滤过程的总推动力，以Δp表示。这一压差部分消耗在了滤饼层，部分消耗在了过滤介质层，即：2020/1/19当滤液在滤饼层中流过时，由于通道的直径很小，阻力很大，因而流体的流速很小，应该属于层流，压降与流速的关系服从Poiseuille(泊谡叶）定律：lpduc322滤浆滤饼，滤渣过滤介质滤液p1p2其中，u—滤液在滤饼中的真实流速；μ—滤液粘度；l—通道的平均长度；d—通道的平均直径。（2）滤液通过滤饼层时的速度2020/1/19（3）滤饼层的过滤速度∵且∴写成等式，即：lpduAddVc322AVlcAVdpAddVcc232AVrpAddVcc/——滤饼层过滤速度计算式式中Vc——滤饼层体积；r——比例系数，称为滤饼比阻，其值取决于滤饼的性质。2020/1/19（4）滤饼层的阻力由：比较过滤阻力过滤推动力过滤速度＝可知：滤饼层阻力为Rc＝rμVc/A而：Vc=vV∴滤饼层阻力Rc=rμvV/A式中V——滤液体积量；v——单位体积滤液所对应的滤饼体积。AVrpAddVcc/2020/1/19（5）过滤介质阻力仿照滤饼阻力的确定方法，将过滤介质的阻力表示为：Rm=rμvVe/A式中Ve——当量滤液体积。指过滤介质所产生的阻力与某一体积的滤饼层的阻力相等时，获得该滤饼层所得到的滤液量。注意：Ve是一个虚拟量，在过滤过程中并不会出现。因为，再过滤开始前，过滤介质就已经存在。其值取决于过滤介质和滤饼的性质。2020/1/19（6）过滤速率（速度）方程滤液通过滤饼层及过滤介质的总推动力为：mcppp过滤推动力＝通过滤饼层及过滤介质的总阻力为：AVVvrRRemc)(过滤阻力＝由此可知：AVVvrpAddVe/)()(2eVVvrpAddV——过滤速度方程——过滤速率方程2020/1/19三、恒压过滤过滤操作的方式可分为：实际生产中恒压过滤占主要地位，主要是易于控制。恒压过滤的特点：在恒定压强差下进行操作。恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力ΔP恒定，过滤速率逐渐变小。（1）恒压变速；（2）恒速变压；（3）先恒速后恒压。2020/1/191、恒压过滤方程式据)(2eVVvrpAddV条件：恒压Δp=const设备一定A=const过滤介质一定Ve=const悬浮液一定r、μ、v=const令vrpK2——过滤常数则)(22eVVKAddVdKAdVVVe2)(22020/1/19边界条件：τ＝0V＝0τ=τV＝V020)(2dKAdVVVVe∴令q＝V/A——单位过滤面积得到的滤液体积；qe=Ve/A——过滤常数，单位过滤面积获得的虚拟滤液体积量。∴222KAVVVeKqqqe222020/1/19几点讨论：（1）两式均称为恒压过滤方程式；（2）反映了过滤一定时间后，所能得到的滤液量；（3）此方程为一元二次方程，曲线形状为抛物线型。（4）由于是非线性关系，过滤开始时，一定时间内可得到较多的滤液量，随着过滤的进行，同样长的时间，得到的滤液量越来越少（阻力增大），若要得到相同的滤液量（恒速过滤），则只有增大推动力（Δp）。2020/1/19eeeV+VeVVe0VV+Ve0'B恒压过滤的滤液体积与过滤时间关系曲线.swf2020/1/19eq（5）由比阻r的定义可以看出，其值与滤饼的空隙率ε及比例系数有关。如果滤饼不可压缩，则这两个量便与压力无关，则比阻便与压力无关，于是过滤常数K便与压力无关。如果滤饼可压缩，则r,K,qe与压力有关，则在某一压力下测定的r、K、qe不能用于其它压力下的过滤计算。（6）平均比阻与压力之间有如下经验关系：r＝r0ps，其中s称为压缩性指数，其值取决于滤饼的压缩性，若不可压缩，则s=0，r0为不随压力而变的常数。将这关系代入过滤常数的定义式可得：s012vrpKs——过滤常数与压力之关系2020/1/19过滤计算必须在过滤常数具备的条件下才能进行。过滤常数K、qe（或Ve）的影响因素很多，包括：操作压力、滤饼及颗粒的性质、滤浆的浓度、滤液的性质、过滤介质的性质等，因此从理论上直接计算过滤常数比较困难，应该用实验的方法测定。2、过滤常数的实验测定两种测定方法（1）方法一：对q2+2qqe=Kτ进行微分可得：Kddqqqe2整理后可得：eqKqKdqd222020/1/19将该式等号左边的微分用差分（增量）代替：eqKqKq22上式为一直线方程，它表明：对于恒压下过滤要测定的悬浮液，在实验中测出连续时间τ及以单位面积计的滤液累积量q，然后算出一系列Δτ与Δq的对应值，在直角坐标系中以Δτ/Δq为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得一条直线。这条直线的斜率为:2/K直线的截距为:2qe/K2020/1/192020/1/19对于恒压下过滤要测定的悬浮液，在实验中测出连续时间τ及以单位面积计的滤液累积量q，，以q为横坐标，以τ/q为纵坐标，在直角坐标系中可得一条直线。eqKqKq21（2）方法二：将q2+2qqe=K